Что такое агрегация частот в сотовой связи 4G?

Агрегация частот в сотовой связи 4G

Агрегация частот (англ. Carrier Aggregation, сокр. CA) — одна из ключевых технологий современных мобильных сетей, с помощью которой достигаются высокие скорости загрузки и передачи данных, предусмотренные старшими категориями LTE. Агрегация появилась в спецификациях стандарта LTE-Advanced, чтобы операторы могли задействовать весь имеющийся в их распоряжении частотный диапазон, а пользователи — получить широкополосный доступ к интернету. При выборе современного модема или 4G-роутера важно обращать внимание на наличие поддержки этой технологии, а также на то, какие ее комбинации поддерживаются устройством. О том, какие виды агрегации существуют и чем они различаются — в нашей статье!

Что такое частотная агрегация и для чего она нужна?

Пропускная способность (т. е. скорость) радиоканала зависит от ширины полосы частот, которая используется для «общения» между оборудованием оператора (базовой станцией) и абонентом (смартфоном, модемом и т. п.). Чем более широкая полоса доступна для передачи данных, тем более высокую скорость могут развить устройства при работе в мобильном интернете. Например, при полосе шириной 20 МГц скорость мобильного интернета будет в два раза выше, чем при полосе 10 МГц. Передачу данных при помощи радиоволн можно представить как автомагистраль: чем шире проезжая часть, тем больше автомобилей сможет по ней проехать за тот же самый отрезок времени.

Однако частотный ресурс для мобильной связи жестко ограничен. Хотя кажется, что радиочастот очень много, на практике все они заняты разными видами техники, а многие диапазоны зарезервированы военными или гражданскими ведомствами. По мере возможности государство выделяет операторам новые диапазоны частот, однако все они располагаются на разных участках спектра. Например, в России в эпоху GSM-связи операторы получили частоты в диапазонах 900 и 1800 МГц, позже для 3G-связи был выделен диапазон 2100 МГц, а для развития LTE-сетей были предусмотрены диапазоны 800 МГц, 2600 МГц и некоторые другие.

В первоначальном виде технология LTE ограничивает мобильную сеть одной полосой, которая в зависимости от диапазона может иметь ширину 1,4, 3, 5, 10, 15 или 20 МГц. Однако, как мы уже сказали выше, в распоряжении операторов имеются участки спектра из разных частотных диапазонов, да и внутри одного диапазона доступный участок может превышать 20 МГц. Вот здесь и вступает в игру агрегация частот.

Carrier Aggregation позволяет нарастить скорость мобильного интернета за счет одновременного использования нескольких несущих частот. Разные полосы частот агрегируются (то есть объединяются, складываются) в один общий канал передачи данных. Если провести аналогию с автомобильной дорогой, то проезжая часть расширяется за счет дополнительных полос — и начинает пропускать больше транспортных средств!

Виды агрегации: внутри- и междиапазонная, смежная/несмежная

Частотные диапазоны, выделенные для работы сотовой связи, называются бэндами. Стандарт LTE насчитывает десятки бэндов, однако на практике в каждой стране используются лишь несколько основных диапазонов, разрешенных государственными регулирующими органами.

У бэндов имеется собственная нумерация (B1, B2, B3…), поэтому обычно, чтобы не указывать полные диапазоны, используется сокращенная запись. Например, B3 — это диапазон 1800 МГц (1710–1785 МГц на передачу и 1805–1880 МГц на прием), а B7 — диапазон 2600 МГц (2500–2570 МГц на передачу и 2620–2690 МГц на прием). Для распределения между операторами каждый бэнд «нарезается» на более мелкие участки — это и есть полосы.

В зависимости от того, какие полосы подлежат объединению, различают три вида агрегации:

Intra-band contiguous: Объединение смежных (т. е. идущих подряд) полоc частот внутри одного диапазона (бэнда). В этом случае полосы расположены в рамках одного бэнда и следуют друг с другом, образуя единый участок спектра.
Пример: 2620–2640 МГц (20 МГц) + 2640–2660 МГц (20 МГц) = 40 МГц

Intra-band non-contiguous: Агрегация несмежных полос частот внутри одного диапазона (бэнда). Полосы частот, подлежащие объединению, также расположены внутри одного бэнда, но разделены другими полосами, которые не участвуют в агрегации.
Пример: 2620–2640 МГц (20 МГц) + 2660–2680 МГц (20 МГц) = 40 МГц

Inter-band non-contiguous: Агрегация несмежных полос частот из разных диапазонов (бэндов). Это самый очевидный и понятный способ, при котором одновременно задействуются разные бэнды.
Пример: 2125–2140 МГц (15 МГц) + 2620–2640 МГц (20 МГц) = 35 МГц

С технической точки зрения одна несущая выбирается оператором в качестве первичной (Primary Component Carrier), и именно через нее осуществляется управление соединением. Дополнительные несущие, через которые передаются только данные, называются вторичными (Secondary Component Carrier). Любопытно, что в стандарте LTE некоторые бэнды целиком отведены для работы в качестве вторичных несущих (например, B32, B67 и некоторые другие). Такие бэнды называются SDL (Supplemental Downlink), и их основное назначение — увеличение скорости приема. К сожалению, в России на данный момент не используется ни один бэнд этой группы.

Классы смежной агрегации частот

В вышеприведенных примерах мы рассмотрели агрегацию двух полос частот, однако спецификации LTE позволяют объединять и большее количество полос. При этом возможны различные комбинации, при которых объединяются разные участки спектра (смежные и несмежные внутридиапазонные и междиапазонные). В результате создается очень большое количество вариантов.

Чтобы избежать путаницы, стандарт LTE-Advanced задает несколько классов агрегации. Каждый класс описывает возможные варианты агрегации смежных полос одного диапазона и состоит из следующих параметров:

Буквенное обозначение (A, B, C…);
ATBC (англ. Aggregated Transmission Bandwidth Configuration) — максимальное количество агрегируемых ресурсных блоков. Ресурсный блок — это минимальный элемент, который базовая станция оператора выделяет абоненту. В LTE-сетях ресурсный блок занимает 180 кГц, а вокруг него расположены защитные промежутки, которые отделяют его от других соседних блоков. Ниже приведена таблица, из которой видно, сколько всего ресурсных блоков может уместиться в каждой полосе частот, которая поддерживается LTE-сетями.

Ширина полосы, МГц	Количество ресурсных блоков
1,4	6
3	15
5	25
10	50
15	75
20	100

Ресурсные блоки легко пересчитать в мегагерцы, поэтому, упрощая, можно сказать, что ATBC — это «сколько всего мегагерц может быть агрегировано».
Количество несущих — максимальное количество полос частот, подлежащих агрегации в рамках определенного класса.

Спецификации LTE-Advanced описывают 7 разных классов, из которых на практике используются 6.

Класс	ATBC (количество ресурсных блоков)	Максимальная ширина, МГц	Количество агрегируемых несущих
A	N ≤ 100	20	1
B	25 < N ≤ 100	20	2
C	100 < N ≤ 200	40	2
D	200 < N ≤ 300	60	3
E	300 < N ≤ 400	80	4
F	400 < N ≤ 500	100	5
I (не используется)	700 < N ≤ 800	160	8

Как видно из приведенной таблицы, максимальная агрегация 5 смежных полос частот может дать общую полосу 100 МГц, что ровно в 5 раз больше, чем использование единичной полосы. При этом класс A означает, по сути, отсутствие агрегации, а класс B — смежную агрегацию, при которой общая ширина канала не превышает 20 МГц (например, 15+5 МГц). С точки зрения пропускной способности класс B не отличается от класса A, и он практически не используется в современных сетях.

Вы можете задаться вопросом: зачем нужно знать об этих классах и какая от них польза? Спешим ответить на этот вопрос!

Учимся записывать и читать агрегацию частот

Из всего сказанного вытекает, что комбинаций агрегации могут быть сотни и даже тысячи. Разные несущие агрегируются друг с другом внутри одних бэндов и между разными бэндами. Сочетаний может быть бесчисленное множество, и для них требуется удобная запись.

Для простоты иногда используется запись вида «B3+B7». Из такой записи можно понять, что происходит объединение полос частот из бэнда 3 (1800 МГц) и 7 (2600 МГц). Однако такая запись может работать только для междиапазонной агрегации, ведь если мы добавляем агрегацию внутри диапазона, то все сразу запутается. Например, мы можем обозначить агрегацию внутри диапазона B3 как «B3+B3». Однако как понять, является ли эта агрегация смежной или нет? Получается, каждый раз необходимо оговариваться: «несмежная агрегация B3+B3» или, наоборот, «смежная агрегация B3+B3». Согласитесь, это неудобно, и еще больше неудобств возникает, когда внутридиапазонная агрегация начинает совмещаться с междиапазонной. Например, запись типа «B3+B3+B7» требует обязательного пояснения, какой тип агрегации в диапазоне B3 используется. Например: «агрегация двух смежных полос частот B3 с полосой частот B7». Такая расшифровка занимает много места и сложна в восприятии. Поэтому авторы спецификаций LTE придумали более простую запись, в которой как раз и используются классы!

Запись начинается с буквенного сочетания CA_, которое означает Carrier Aggregation. Самая простая запись представляет собой номер бэнда и букву, с помощью которой можно быстро определить тип смежной агрегации частот. Например:

CA_3A — единичная полоса Band 3 (1800 МГц) класса A, то есть без агрегации;
CA_7C — агрегация внутри Band 7 (2600 МГц) класса C, то есть объединение 2 смежных полос частот с максимальной шириной канала 40 МГц (например, 20+10 МГц, 20+20 МГц и т. п.);
CA_40D — агрегация внутри Band 40 (2300 МГц) класса D, то есть объединение 3 смежных полос частот с максимальной шириной 60 МГц (например, 20+20+10 МГц, 20+20+20 МГц и т. п.).

В свою очередь, объединение несмежных полос частот внутри одного диапазона записывается добавлением элементов в ряд через дефис. Например:

CA_7A-7A — агрегация двух несмежных полос внутри диапазона Band 7 с общей максимальной шириной 40 МГц (например, 15+20 МГц, 20+20 МГц и т. п.).

Когда внутридиапазонная агрегация сочетается с междиапазонной, в записи точно так же добавляются дополнительные элементы. При этом запись идет от «младших» бэндов к «старшим». Например:

CA_3A-7A — агрегация двух одиночных полос частот (класс A) из диапазонов Band 3 и Band 7, что в сумме дает максимальную ширину агрегации 40 МГц (например, 10+20 МГц, 20+20 МГц и т. п.);
CA_3A-7C — агрегация одиночной полосы частот (класс A) из диапазона Band 3 и двух полос частот со смежной агрегацией (класс C) из диапазона Band 7. Как легко посчитать, максимальная агрегируемая ширина — 60 МГц. Конкретных вариантов может быть множество, например, 10+10+20 МГц, 10+15+20 МГц, 20+20+20 МГц и т. п.

Такая запись позволяет указать любую комбинацию, допускаемую спецификациями. Вот несколько более сложных примеров:

CA_1A-3A-3A — агрегация одиночной полосы частот (класс A) из диапазона Band 1 (2100 МГц) и двух несмежных одиночных полос частот (обе класс A) из диапазона Band 3 (1800 МГц);
CA_3C-7A-20A — агрегация двух смежных полос частот (класс C) из диапазона Band 3 (1800 МГц), одной одиночной полосы из диапазона Band 7 (2600 МГц) и одной одиночной полосы из диапазона Band 20 (800 МГц);
CA_1A-3A-7A-8A-40C — предлагаем разобрать вам этот пример самостоятельно =)

Возможных комбинаций — тысячи, однако не все они поддерживаются спецификациями консорциума 3GPP, который занимается разработкой стандарта LTE-Advanced. По мере развития мобильных сетей операторы со всего мира предлагают консорциуму сочетания, которые они хотели бы использовать, и после рассмотрения и изучения некоторые из них добавляются в спецификации. Хотя не все возможные варианты добавлены в стандарт, список одобренных комбинаций состоит из нескольких тысяч вариантов.

Агрегация в канале Uplink (ULCA)

В большинстве случаев агрегация частот используется, чтобы увеличить скорость приема (скачивания) данных. Тем не менее, стандарт LTE-Advanced также поддерживает агрегацию частот в направлении базовой станции, то есть в канале Uplink. Однако в этом канале операторы сотовой связи редко поддерживают объединение более 2 полос частот. Производители оборудования обычно указывают параметры Carrier Aggregation на загрузку и на передачу раздельно, и на это следует обращать внимание при выборе модема или LTE-роутера.

Для удобства часто используется комбинированная запись агрегации приема и передачи. Для этого после бэнда, который задействован для отправки данных, указывается вторая буква — класс агрегации Uplink. Например:

CA_3AA-7A — междиапазонная агрегация диапазонов Band 3 и Band 7 в канале Downlink; для канала Uplink используется диапазон Band 3 без агрегации (класс A);
CA_3AA-7AA — междиапазонная агрегация диапазонов Band 3 и Band 7; поскольку буквенные обозначения Uplink указаны для обоих бэндов, доступна агрегация ULCA (две полосы класса A);
CA_3A-7CC — агрегация полосы частоты Band 3 и двух смежных полос частот Band 7 в канале Downlink; канал Uplink работает в диапазоне Band 7, при этом доступна агрегация ULCA (класс C).

Модемы и роутеры с агрегацией частот

Для использования агрегации частот необходимы модемы и LTE-роутеры с поддержкой категории LTE Cat. 6 и выше. Такие устройства способны развивать высокую скорость (300 Мбит/с и выше) при работе в современных мобильных сетях. Если вам надоел медленный интернет и вы хотите выйти за границы узких рамок, обратите внимание на популярные устройства из списка ниже!